基于人體感應(yīng)技術(shù)的智能機器人空間定位方法

盛 楠，康 陽

(1.合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院 人工智能學(xué)院 ，安徽 合肥 230000； 2.重慶文理學(xué)院 人工智能學(xué)院，重慶 402160)

0 引言

智能機器人泛指那些內(nèi)置了多功能程序，并能夠自動執(zhí)行命令的機器系統(tǒng)。機器人的出現(xiàn)已有幾十年的歷史，隨著計算機科學(xué)與技術(shù)、無線傳感技術(shù)[1-2]及人工智能(artificial intelligence,AI)技術(shù)[3-4]的發(fā)展與成熟，當(dāng)前的智能機器人已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)機器人龐大、笨重的形象，變得越來越“聰明”。由于AI技術(shù)的加持，目前，智能機器人在順利執(zhí)行程序命令的同時，還具有了較強的環(huán)境感知能力，能夠根據(jù)用戶的使用習(xí)慣及周圍環(huán)境的變化情況，作出更為合適、更為明智的行動選擇。由于感知能力存在差異，智能機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式和效應(yīng)產(chǎn)生方式都不盡相同，開發(fā)者可以根據(jù)具體的環(huán)境差異，設(shè)定不同程序命令，以提高智能機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。

由于機器設(shè)備自動化、集成化的發(fā)展趨勢，智能機器人還需要具備更強的AI性能，以適應(yīng)各種更為惡劣的工作環(huán)境。當(dāng)前，智能機器人發(fā)展領(lǐng)域不斷地取得進步和突破，由于智能機器人在任務(wù)執(zhí)行時的特殊優(yōu)勢，其在災(zāi)難救援、科學(xué)探險及軍事國防領(lǐng)域，有著越來越廣泛的用途，并會在未來發(fā)揮出更加重要的作用。

當(dāng)前的智能機器人系統(tǒng)在人體感知方面還有很大的進步空間，尤其是較為危機的環(huán)境條件下，如果可以將智能機器人內(nèi)置人體感知單元，就能夠在很大程度上提高災(zāi)難中傷病人員搜救的成功率，或在其他的危機時刻挽救特殊作業(yè)環(huán)境下人員的生命。智能機器人系統(tǒng)的研究包括程序控制方法的選擇、操控模型的設(shè)計及主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其中程序控制方法的選擇將在很大程度上決定智能機器人的智能程度和靈活性。目前，諸如仿腦技術(shù)[5-6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7-8]都被不斷應(yīng)用到智能機器人系統(tǒng)當(dāng)中，提供了智能機器人的AI性能。此外，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和云計算的發(fā)展，人們也可以通過網(wǎng)絡(luò)對智能機器人實施在線控制，進一步提升智能機器人的智能化水平。本文針對當(dāng)前智能機器人系統(tǒng)在人體感知技術(shù)方面的缺失，將人體感知技術(shù)植入智能機器人程序控制系統(tǒng)，通過對人體感知信號的識別及空間位置的判定，改善了智能機器人作業(yè)的精度、靈活性及可靠性。仿真環(huán)境下的人體感知技術(shù)應(yīng)用實例也表明，基于人體感知技術(shù)的智能機器人在AI表現(xiàn)方面更加出色，動作控制準確率及空間位置誤差水平相對于傳統(tǒng)的智能機器人系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

1 人體感應(yīng)技術(shù)研究

人體感應(yīng)技術(shù)的研究是在激光紅外技術(shù)取得突破性進展的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[9-10]。紅外光的波長超過了人眼的可視范圍，而且紅外光對于溫度的變化極為敏感，而人體本身就是一個恒溫的熱源，因此可以基于紅外線人體感應(yīng)技術(shù)，提高智能機器人對于人體位置和狀態(tài)的識別，因而可以在特殊的環(huán)境下實現(xiàn)目前人類所不能達到的目的。目前，紅外傳感器技術(shù)已經(jīng)有了十分廣泛的用途，將人體感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于智能機器人，使機器人具有一定的人體感知功能，可以在更短的時間內(nèi)作出躲避指令及精確位置判斷。

通常人體恒溫在36.5 ℃，因此，作為恒溫?zé)嵩吹娜梭w會持續(xù)地發(fā)出波長為10 μm左右的紅外波長，人體發(fā)出的紅外波，經(jīng)過空間傳導(dǎo)和增強聚焦后, 聚集到內(nèi)置于智能機器人的熱紅外感應(yīng)單元，這時, 智能設(shè)備就會快速地識別出人體的準確位置，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將人員的紅外信息傳遞給后臺指揮中心，從而完成對人體位置的準確定位。在紅外元件的選擇方面，通常會采用質(zhì)優(yōu)價廉的熱釋電紅外元件，電子元件接收到人體發(fā)出的紅外線光波后，會在瞬間使電子電荷失衡，進而發(fā)出警報并傳遞準確的位置信息。

從智能機器人的研究歷史和研究現(xiàn)狀來看，以模糊計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算為主體的軟件技術(shù)，不斷地被應(yīng)用到智能機器人的程序設(shè)定當(dāng)中，這些計算軟件技術(shù)能夠使機器人更加智能化，推動了智能機器人產(chǎn)業(yè)不斷地向前發(fā)展。軟件技術(shù)賦予了智能機器人更大的進步空間，一些程序、制度的設(shè)定都依賴于計算機軟件技術(shù)的發(fā)展和進步。大數(shù)據(jù)和云計算的快速發(fā)展要求智能機器人具有更加強大的AI性能，如：智能機器人真正地具有人類的“思維”，能夠與人類進行自由的空間網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和智能交互。近年來，云服務(wù)系統(tǒng)不斷完善，使機器人的操作者可以基于云網(wǎng)絡(luò)對智能機器人實施實時控制，AI領(lǐng)域的研究是計算機科學(xué)技術(shù)研究的熱點問題，如何使得智能機器人具備一定的人體感知能力，是人們所關(guān)注的重點問題之一。云端數(shù)據(jù)的應(yīng)用，消除了原本存在的與網(wǎng)絡(luò)空間的通信問題，提高了計算機軟件技術(shù)與人體感知技術(shù)的融合能力，使智能機器人在獨立的空間內(nèi)具備了一定的自我思維能力，并提高了智能機器人的人體感知能力和AI性能，使智能機器人可以完成更為復(fù)雜的指令。

總之，人體感應(yīng)技術(shù)的研究和應(yīng)用會進一步推動機器人的智能化水平，能夠更加充分地發(fā)揮出智能設(shè)備在惡劣環(huán)境下的特殊作用，更好地為人類服務(wù)。

2 基于人體感應(yīng)技術(shù)的智能化機器人設(shè)計

將人體感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于智能機器人的設(shè)計，將會進一步提高智能機器人的自我學(xué)習(xí)能力和AI性能。人體感應(yīng)技術(shù)與紅外線技術(shù)密切相關(guān)，將智能機器人內(nèi)置高性能的紅外傳感器，當(dāng)智能機器人基于紅外傳感器的熱感效應(yīng)而感知到周圍有人體熱源存在時，會進一步作出判斷或?qū)⑦@一信息傳遞到后臺指揮中心。智能機器人配備聲光報警裝置，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和集成電路與人體熱釋傳感器相連。智能機器人的外部安裝了紅外探頭，用于感知周圍是否存在人體紅外熱源信號，當(dāng)感知到周圍存在人體熱源信號時，會激發(fā)紅外傳感器進入工作狀態(tài)，啟動控制電路進而保證周圍人員的安全，或發(fā)出救援信號指令。

2.1 人體紅外感應(yīng)信號識別技術(shù)研究

將具有熱釋電功能的人體感應(yīng)紅外傳感器內(nèi)置于智能機器人主板位置，并通過程序設(shè)定與其他的功能模塊實現(xiàn)兼容。由于人體的基礎(chǔ)體溫恒定，作為一個熱源體的人體會不斷地向周圍環(huán)境釋放出10 μm左右紅外線波長，智能機器人基于熱釋電紅外傳感器，通過紅外波長，迅速地感知到周圍人體的存在。智能機器人利用紅外線探頭探測到人體的紅外線波長的存在，并利用濾光片將紅外線波長放大、增強、去除其他干擾源的影響，以實現(xiàn)對人體所在位置的準確定位，應(yīng)用了人體感應(yīng)技術(shù)的紅外傳感器基礎(chǔ)電路圖，如圖1所示。

圖1 人體感應(yīng)技術(shù)傳感器輔助電路圖Fig.1 Auxiliary circuit diagram of human body induction technology sensor

具有熱釋電功能的紅外傳感器基礎(chǔ)電路系統(tǒng)，由電源電路、紅外信號處理芯片及控制電路等幾個主體部分構(gòu)成。人體感知紅外信號技術(shù)應(yīng)用的主控芯片型號為CSC9805，與芯片連接的穩(wěn)壓裝置總輸出電壓5 V, 1.5 A，并直接匹配直流PIR管材探頭。該探頭還具有快速感應(yīng)和觸發(fā)性能，基于電路檢測和時鐘技術(shù)不斷地輸出高壓電平，控制紅外信號的輸出。如果探頭基于人體感知技術(shù)識別到周圍有紅外熱源存在,系統(tǒng)就會觸發(fā)紅外傳感裝置觸發(fā)高電平，內(nèi)置的時鐘裝置開始計時，并控制主控芯片的信號輸出。外置電路中的電阻值分別為20 Ω和16 Ω，電阻值可微調(diào)實現(xiàn)對人體紅外感知技術(shù)的智能調(diào)控和延時控制。為擴大對人體熱源智能感知的感應(yīng)范圍，設(shè)計中的PIR管排布采用了并聯(lián)的設(shè)計方式，以提高紅外信號識別的穩(wěn)定性，這種設(shè)計方式還能夠縮短信號的連接時長，提高人體紅外信號控制的可靠性。

2.2 基于人體感應(yīng)的智能機器人定位設(shè)計

對目標定位的準確性是衡量智能機器人性能的主要指標之一，在實際的救援活動中,精確的目標定位也能夠贏得寶貴的搶救時間?；谌梭w紅外感知技術(shù)的智能機器人系統(tǒng)在目標定位準確率方面具有明顯的優(yōu)勢，因為近距離的紅外波定位在準確度控制上本來就具有明顯的優(yōu)勢。在智能機器人的定位過程中，定位算法的可靠性與穩(wěn)定性同樣十分重要，而基于人體感應(yīng)技術(shù)的紅外傳感器，在波形控制與信號傳輸時的穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)電磁信號定位和GPRS定位，基于人體感應(yīng)技術(shù)的紅外信號定位原理如圖2所示。

圖2 基于人體感應(yīng)技術(shù)的智能機器人定位原理圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent robot positioning based on human body induction technology

圖2中，設(shè)定目標物A坐標為(x,y)，在x軸方向上移動距離設(shè)為n，在y軸方向上移動距離設(shè)為m。由于智能機器人系統(tǒng)中的PIR管排布方式為橫、縱兩個方向，即使部分紅外信號出現(xiàn)遮擋也不會對目標物的定位產(chǎn)生過多的影響。如圖2所示，當(dāng)目標物A(x,y)出現(xiàn)在智能機器人的搜索目標范圍，即使x軸方向上的紅外信號受到了阻擋，內(nèi)置高性能紅外傳感器的智能機器人系統(tǒng)還可以通過y軸方向上的紅外信號，對標的物的位置進行定位。PIR紅外管采用了均勻分布的方式，如果設(shè)定智能機器人系統(tǒng)匯總兩個垂直分布的PIR紅外管中心距離為d，可以基于距離判斷出目標物A(x,y)的準確位置

(1)

基于人體感知技術(shù)的直接定位方式簡單準確，但是無法應(yīng)對更為復(fù)雜的場景。由于智能機器人的實際工作環(huán)境往往更為復(fù)雜，來自于障礙物的遮擋可能是多方向的，如果x軸方向與y軸方向同時被遮擋，此時的定位準確性就會受到影響。而人體紅外感知技術(shù)具有良好的穿透性能，為提高智能機器人系統(tǒng)對目標定位的精度，本文基于人體感知技術(shù)，設(shè)計了基于重心定位的算法，提高智能機器人定位的準確性。重心可以理解為物體受力均衡的一個平衡點，由于人體作為一個恒溫?zé)嵩?，其紅外波的發(fā)射是朝向四面八方的，重心法就是依據(jù)人體感知技術(shù)，尋找出紅外波長的重心，進而實現(xiàn)對目標物體的準確定位。如果有目標物體出現(xiàn)在智能機器人的檢測位置時，熱源發(fā)射的各個方向的紅外波會進入智能機器人系統(tǒng)的信號采集模塊，這時必然會有一部分紅外光信號被周圍的干擾物體遮擋，而且這種遮擋具有明顯的隨機性特征，不可預(yù)知。被遮擋到的紅外信號與未被遮擋的紅外信號，在波長信號的強度分布上具有明顯的不同，而內(nèi)置于智能機器人內(nèi)部的紅外傳感裝置所感知到的信號強度也不同?；谥匦睦碚摚梢詫⑦M入智能機器人感知范圍的熱源物體理解為一個紅外波長集合的重心，依據(jù)對不同波長范圍和波長強度的紅外感知強度的差異，判斷出具體的重心位置，進而對中心位置進行準確的判斷。將熱源物體劃分為等距離的測定范圍，分別為N1,N2,N3,N4,N5,N6，設(shè)定智能機器人紅外傳感器模塊的熱源物體對應(yīng)的紅外強度值分別為O1，O2，O3，O4，O5，O6，如圖3所示。

圖3 人體感知強度值分布Fig.3 Distribution of human perception intensity

由于智能機器人系統(tǒng)中人體感知模塊的PIR紅外管為均勻排列分布，當(dāng)一側(cè)的紅外波被遮擋之后，另一側(cè)的紅外波感知強度會受到一定程度的影響，這時系統(tǒng)能感受到信號變化值重心會發(fā)生偏移，此時，重心位置(x0,y0)會進一步發(fā)生偏離。基于杠桿平衡原理對紅外波長的重心偏離情況進行糾正，當(dāng)物體受力時，力的合力矩代數(shù)和始終為零，可以表示為

∑Fi×li=∑Fj×lj

(2)

式中：Fi和Fj表示人體紅外波長的感知強度；li和lj分別為感知強度所對應(yīng)的感知距離。此時，對熱源物的重心位置判定可以表示為

(3)

對式(3)進行簡化和推導(dǎo)時，當(dāng)特征點數(shù)量分別為偶數(shù)和奇數(shù)時，得到的x軸方向和y軸方面的重心坐標值，分別表示為

(4)

(5)

基于人體感知技術(shù)對標的物的重心確定之后，可以再依據(jù)重心坐標準確地確定熱源位置，在最短的時間內(nèi)作出最佳的判斷，并將標的物的位置信息通過無線傳感上傳到后臺系統(tǒng)?；谌梭w感知技術(shù)的智能機器人控制模式選擇包括串行控制和并行控制兩種具體方式，融入人體感知技術(shù)之后，智能機器人系統(tǒng)的性能會得到很大提升，可以準確地判斷出紅外熱源的精確位置信息。

3 應(yīng)用結(jié)果分析

為驗證加入人體感應(yīng)技術(shù)的條件下，智能機器人系統(tǒng)的目標定位及行進路線選擇方面的優(yōu)越性，本文基于Matlab仿真平臺進行了一組仿真實驗。

基于AGV狀態(tài)對智能機器人的基礎(chǔ)參數(shù)進行設(shè)定，具體包括6種基本狀態(tài)，如表1所示。

表1 智能機器人狀態(tài)參數(shù)設(shè)定Tab.1 State parameter setting of intelligent robots

對智能機器人在工作過程中的行進速度也進行設(shè)定，并禁止智能機器人的后向移動，A為加入人體感知技術(shù)的智能機器人，B為未加入人體感知技術(shù)機器人：

表2 智能機器人最大行進速度設(shè)定Tab.2 Maximum travel speed setting of intelligent robots

3.1 智能機器人定位準確性對比

實驗分別在Matlab仿真平臺中模擬兩種災(zāi)難救援場景，分別為少障礙物場景(4個熱源)和多障礙物場景(20個熱源)。對比兩個智能機器人系統(tǒng)在不同場景下對標的物的定位耗時情況，仿真實驗的次數(shù)為100次，再將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)隨機編成10組后取平均值，統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

表3 智能機器人系統(tǒng)定位情況分析Tab.3 Analysis of positioning of intelligent robot system

在少障礙物的場景下，加入人體感應(yīng)技術(shù)的100次仿真實驗平均定位時間為0.47 s，而傳統(tǒng)智能機器人定位系統(tǒng)的平均耗時為0.61 s，存在一定的差距，但這種差距表現(xiàn)較?。欢趶?fù)雜的場景條件下，對于熱源物體的識別定位時間就出現(xiàn)了明顯的差距，加入人體感應(yīng)技術(shù)的智能機器人系統(tǒng)的平均定位時間為0.62 s，而傳統(tǒng)智能機器人的定位時間高達1.78 s，而且有兩次沒能準確定位出熱源物的位置。由此可以證明，人體感知技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對熱源物體的快速定位，為災(zāi)難救援活動贏得寶貴的時間。在分別考察兩種智能機器人在空間位置定位準確率方面的表現(xiàn)，仍舊進行100次仿真實驗，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 智能機器人定位準確率對比Fig.4 Comparison of positioning accuracy of intelligent robots

從100次仿真實驗的定位結(jié)果能夠得出，基于人體感知技術(shù)的智能機器人定位準確率能夠保持在98%左右，而傳統(tǒng)智能機器人的定位準確率平均為93.4%，且波動較大，最低為89%，難以滿足現(xiàn)實需求。從圖4中的樣本數(shù)據(jù)曲線變化能夠看出，沒有加入人體感應(yīng)技術(shù)的機器人,系統(tǒng)綜合定位準確率波動較大，穩(wěn)定性不足。

3.2 智能機器人最優(yōu)行進路徑對比

智能機器人在復(fù)雜場景中的最優(yōu)行走路徑選擇是衡量智能機器人性能的主要標準之一。將人類感知技術(shù)集成到智能機器人的設(shè)計中，可以大大提高智能機器人的AI性能，節(jié)省達到目標的時間和智能機器人自身的能耗。為了避免隨機性對結(jié)果的影響，將兩組方法在不同場景下進行200次重復(fù)實驗，測量實際的路徑距離，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 智能機器人行進路徑結(jié)果對比Tab.4 Comparison of travel path results of intelligent robots

分析表4可知，加入了本文方法的A組在不同場景中均表現(xiàn)優(yōu)異，在少障礙場景中，最短路徑為26.35 m，平均路徑長度為27.68 m，路徑長度的標準差為0.027 m，平均迭代次數(shù)為88，均遠小于B組的行進路徑結(jié)果，在多障礙場景中仍舊保持較大的優(yōu)勢。這是由于在智能機器人空間定位過程中加入了人體感應(yīng)技術(shù)，借助于紅外傳感器模塊，能夠找出一條智能機器人最優(yōu)的行進路徑，保證行進距離最短，節(jié)省機器人自身的能耗。仿真實驗數(shù)據(jù)表明，將人體感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于智能機器人設(shè)計，能夠提高智能機器的AI性能和適用性。

4 結(jié)語

隨著計算機科學(xué)技術(shù)、人工智能技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，機器人的智能化水平越來越高，并在許多惡劣、危險的環(huán)境下，代替了直接的人工作業(yè)。人體感應(yīng)技術(shù)是近些年研究熱點問題之一，為了提高目前智能機器人的性能，本文將人體感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于智能機器人的設(shè)計，研究了人體感應(yīng)技術(shù)的原理和應(yīng)用范圍，基于人體感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計了紅外傳感模塊和智能機器人的定位算法，提高對熱源體的定位精度。智能機器人未來的發(fā)展趨勢必將更加的智能化，仿腦技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等會與智能機器人操控系統(tǒng)結(jié)合得更為緊密，為人類提供更好的服務(wù)。